TWI702115B - 兩頭研磨方法 - Google Patents

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Abstract

[課題]提供一種兩頭研磨方法，該兩頭研磨方法係可得到奈米形貌良好且所要之厚度的被研磨物。 [解決手段]兩頭研磨方法係包括：第1研磨步驟，係在向第1晶圓之第1、第2主面供給既定量的研磨液下，研磨至第1晶圓的厚度成為既定厚度；奈米形貌測量步驟，係測量第1晶圓之奈米形貌；以及第2研磨步驟，係根據奈米形貌測量步驟之測量結果，將研磨條件調整成第2晶圓之奈米形貌接近0，並研磨至第2晶圓的厚度成為該既定厚度；第2研磨步驟係在維持在第1研磨步驟之研磨液的總供給量下，調整對第2晶圓之第1主面之研磨液的供給量與對第2主面之研磨液的供給量之百分比，並研磨第2晶圓。

Description

兩頭研磨方法
本發明係有關於一種兩頭研磨方法。
以往，已知一種兩頭研磨方法，該兩頭研磨方法係使被研磨物轉動且向該被研磨物之兩主面供給研磨液，並使磨輪之磨石分別與被研磨物之兩主面抵接，藉此，研磨被研磨物(例如，參照專利文獻1)。 在專利文獻1所記載之方法係隨著磨石的高度減少，而使研磨液之供給量變少，藉此，可降低被研磨物與磨石之間的水漂現象(hydroplaning)效果，而使各被研磨物之研磨狀態成為固定。 [先行專利文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2009－16842號公報
[發明所欲解決之課題]
可是，在如專利文獻1所示之方法，係加工環境氣體的溫度因研磨液之流量的變化而變化，有可能引起厚度等之品質的變動。
本發明之目的係在於提供一種兩頭研磨方法，該兩頭研磨方法係可得到奈米形貌(nanotopography)良好且所要之厚度的被研磨物。 [解決課題之手段]
本發明之兩頭研磨方法係使用兩頭研磨裝置，根據厚度測量手段之測量結果，研磨至被研磨物的厚度成為既定厚度，而該兩頭研磨裝置係包括：研磨手段，係使被研磨物轉動且向該被研磨物之兩主面供給研磨液，並使磨輪之磨石分別與該被研磨物之兩主面抵接，藉此，研磨該被研磨物；及厚度測量手段，係測量該被研磨物的厚度，該兩頭研磨方法之特徵為：包括：第1研磨步驟，係在向第1被研磨物之兩主面供給既定量的研磨液下，研磨至該第1被研磨物的厚度成為該既定厚度；奈米形貌測量步驟，係測量該第1被研磨物之奈米形貌；以及第2研磨步驟，係根據該奈米形貌測量步驟之測量結果，將研磨條件調整成第2被研磨物之奈米形貌接近0，並研磨至該第2被研磨物的厚度成為該既定厚度；該第2研磨步驟係在維持在該第1研磨步驟之研磨液的總供給量下，調整對該第2被研磨物之一方的主面之研磨液的供給量與對另一方的主面之研磨液的供給量之百分比，並研磨該第2被研磨物。
在本發明之兩頭研磨方法，作為該厚度測量手段，使用差動變壓器型位移計，該差動變壓器型位移計係具有分別與該被研磨物之兩主面接觸的一對接觸件，藉由輸出與該一對接觸件之位置對應的信號，測量該被研磨物的厚度。
在本發明之兩頭研磨方法，該第2研磨步驟係根據該第1被研磨物之該奈米形貌測量步驟的測量結果，將該百分比調整成使對在該第2被研磨物之該第1被研磨物的凹下側之主面之研磨液的供給量成為比對另一方的主面之研磨液的供給量更多。
若依據本發明，可得到奈米形貌良好且所要之厚度的被研磨物。
[本發明之關聯技術]
首先，說明本發明之關聯技術。 [兩頭研磨裝置的構成] 如圖1~圖3所示，兩頭研磨裝置1係包括研磨手段2、作為厚度測量手段之差動變壓器型位移計3、加工室4以及控制手段5。
研磨手段2係包括環套21、晶圓轉動手段22、第1、第2磨輪23、24、第1、第2磨輪轉動手段25、26、第1、第2磨輪進退手段27、28以及研磨液供給手段29。
環套21係被形成圓環形，並在其內部固持晶圓W。 晶圓轉動手段22係由控制手段5所控制，並使環套21以晶圓W之中心為中心轉動。
第1、第2磨輪23、24係包括：大致圓板形的輪座(wheel base)23A、24A；及複數個磨石23B、24B，係沿著該輪座23A、24A之一面的外緣以既定間隔所設置。在輪座23A、24A的中央，係設置貫穿該輪座23A、24A之雙面的研磨液供給孔23C、24C。 第1、第2磨輪轉動手段25、26係包括：主軸25A、26A，係在前端分別固持第1、第2磨輪23、24；及轉動用馬達25B、26B，係由控制手段5所控制，並分別使主軸25A、26A轉動。第1磨輪轉動手段25係對晶圓W被設置於圖1中的左側，第2磨輪轉動手段26係被設置於右側。 第1、第2磨輪進退手段27、28係由控制手段5所控制，並使第1、第2磨輪轉動手段25、26對晶圓W前進、後退。
研磨液供給手段29係由控制手段5所控制，經由第1、第2磨輪23、24之研磨液供給孔23C、24C，向第1、第2磨輪23、24內供給研磨液。
差動變壓器型位移計3係包括一對信號輸出手段31、從各信號輸出手段31向下方延伸的臂32、以及被設置於各臂32之前端的接觸件33。一對接觸件33係分別與晶圓W之第1、第2主面W1、W2接觸，並被設置成因應於晶圓W的厚度而移動。信號輸出手段31係向控制手段5輸出因應於各接觸件33之位置的信號。
加工室4係被形成為在內部至少可配置晶圓W、第1、第2磨輪23、24以及差動變壓器型位移計3之箱形，並防止研磨液或研磨屑向該加工室4之外部飛散。
控制手段5係與未圖示之記憶體連接，並根據記憶體所記憶之各種條件，進行晶圓W之研磨。 [關聯技術的兩頭研磨方法]
其次，說明使用上述之兩頭研磨裝置1之關聯技術的兩頭研磨方法。 首先，在第1、第2磨輪23、24位於在圖1以實線所示的位置，且差動變壓器型位移計3之各接觸件33與晶圓W之第1、第2主面W1、W2接觸的狀態，控制手段5係控制晶圓轉動手段22、第1、第2磨輪轉動手段25、26、第1、第2磨輪進退手段27、28以及研磨液供給手段29，如在圖1以兩點鏈線所示，將第1、第2磨輪23、24分別壓在晶圓W之第1、第2主面W1、W2，且向第1、第2磨輪23、24內供給研磨液，並使環套21及第1、第2磨輪23、24轉動，藉此，研磨晶圓W。
在此時，如圖2所示，控制手段5係使晶圓W及第2磨輪24在從圖2之左側觀察時在順時針方向(右轉方向)轉動，且使第1磨輪23在逆時針方向(左轉方向)轉動。又，控制手段5係向第1主面W1及第2主面W2供給等量的研磨液。此外，第1、第2磨輪23、24之轉向係不限定為上述之方向。 而且，控制手段5係根據從差動變壓器型位移計3所輸出之信號，管理晶圓W的厚度，在判斷晶圓W被研磨至預設之既定厚度時，使第1、第2磨輪23、24離開晶圓W，而結束研磨。 [至引導本發明之原委]
本發明者係再三進行專心研究的結果，得到以下的發現。 [實驗1] 測量根據上述之關聯技術的兩頭研磨方法所得之晶圓W的奈米形貌時，確認從第1主面W1側觀察時晶圓W之中心具有凹下方向的起伏。此外，奈米形貌係在以非吸附或弱吸附載置晶圓W時之以毫米週期存在之奈米範圍的起伏，廣義上係被包含於平坦度。 本發明者係考察這種現象的發生原因，推測因研磨液流量或磨石23B、24B之品質之微小的差異、或晶圓W之表面的狀態等，在第1、第2磨輪23、24之磨耗或切刃的狀態發生差異，在第1、第2磨輪23、24在研磨中總是接觸之晶圓W的中心部，表背研磨量差特別顯著地出現，而在中央部分發生凹或凸的習性。 因此，本發明者係在考察時，認為藉由調整研磨液的供給量，具有可改善晶圓W之奈米形貌的可能性，而進行了以下的實驗。
首先，準備兩頭研磨裝置1(光洋機械工業有限股份公司製，型式：DXSG320)。接著，向第1主面W1及第2主面W2一面供給各1.2L/min的研磨液，一面實施該關聯技術之兩頭研磨方法，而將直徑300mm的晶圓W研磨至既定厚度(實驗例1－1)。 又，除了將對第1主面W1及第2主面W2之研磨液的供給量設定成各1.5L/min(實驗例1－2)、各1.8L/min(實驗例1－3)以外，係根據與實驗例1相同的條件，研磨了10片晶圓W。
在實驗例1－1~1－3的研磨方法，分別研磨各10片的晶圓W，並以奈米形貌測量器(溝尻光學工業所股份有限公司製，型式；FT－300U)測量了第1主面W1的奈米形貌。此時之奈米形貌係測量在將第1主面W1之最外周部的位置當作0nm的情況之第1主面W1的表面形狀之凹凸的輪廓，測量第1主面W1之中心的奈米形貌，取得通過晶圓W之中心之截面的輪廓資料，並將在該輪廓之晶圓W之中央部的數值作為評估指標。此外，將最外周部之值作為基準(0nm)。在圖4表示其結果。 在圖4，係在奈米形貌之值未滿0的情況，表示第1主面W1之中心凹下，而在超過0的情況，表示中心突出。又，奈米形貌之絕對值愈大，表示凹下量或突出量愈大。
如圖4所示，可確認藉由調整研磨液之供給量，奈米形貌變化。 由此，得知藉由調整對第1主面W1及第2主面W2之研磨液的供給量，具有可改善晶圓W之奈米形貌的可能性。 [實驗2]
本發明者係從該實驗1的結果，得知藉由調整研磨液的供給量，具有可改善晶圓W之奈米形貌的可能性，但是測量實驗例1－1、1－3之晶圓W之中心的厚度時，如圖5所示，可確認實驗例1－1比實驗例1－3更厚約1μm。 即使可改善晶圓W之奈米形貌，亦厚度與目標值相異係不佳。 因此，本發明者係考察時，認為因研磨液之供給量調整而加工室4之溫度就變化，伴隨該溫度變化而差動變壓器型位移計3發生測量誤差的結果，具有晶圓W的厚度成為與目標值相異的可能性，而進行以下的實驗。
首先，調查差動變壓器型位移計3之測量環境溫度與測量值的關係。 準備差動變壓器型位移計3(東京精密股份有限公司製，型式；PULCOM系列)，並將溫度感測器(T&D公司製，型式；TR－52i)安裝於差動變壓器型位移計3之信號輸出手段31的框體。使接觸件33與既定厚度之晶圓W接觸，一面改變測量環境溫度，一面測量厚度。在圖6表示其測量結果。 如圖6所示，可確認環境溫度愈上升，差動變壓器型位移計3之測量值成為愈小。 由此，在使用差動變壓器型位移計3以等厚為目標研磨的情況，因為加工室4內的溫度愈高，在未研磨的階段，得到晶圓W達到目標值之測量結果，所以可推測晶圓W成為愈厚。
其次，調查研磨液之供給量與加工室4內之溫度的關係。 準備已將該溫度感測器安裝於信號輸出手段31之兩頭研磨裝置1，根據將研磨液之供給量設定成與該實驗例1－1相同的條件，研磨晶圓W，並每隔一秒測量研磨中之加工室4的溫度變化(實驗例2－1)。 又，除了將研磨液之供給量設定成與該實驗例1－3相同以外，根據與實驗例2－1相同的條件，研磨晶圓W，並測量研磨中之溫度變化(實驗例2－2)。 在表1表示測量結果的平均值。 如表1所示，實驗例2－2之溫度比實驗例2－1更低約0.7℃。認為這係研磨液愈多，研磨時之晶圓W的冷卻效果愈高，結果，在供給量多之實驗例2－2之加工室4的溫度變低。
[表1]
  平均溫度
實驗例2－1(1.2L/min) 24.5℃
實驗例2－2(1.8L/min) 23.8℃
從圖5與表1之結果，認為加工室4之溫度愈高，研磨液後之晶圓W成為愈厚，這係與根據上述之圖6之結果的推測一致。 由此，可確認調整研磨液之供給量時，差動變壓器型位移計3發生測量誤差，而研磨後之晶圓W的厚度成為與目標值相異。 [實驗3]
從實驗1之結果，得知藉由調整對第1主面W1及第2主面W2之研磨液的供給量，具有可改善晶圓W之奈米形貌的可能性。又，從實驗2之結果，可確認調整研磨液之供給量時，研磨後之晶圓W的厚度成為與目標值相異。 本發明者係根據實驗1、2的結果，再三地進行專心研究的結果，認為藉由在維持對第1、第2主面W1、W2之研磨液的供給量下，調整對第1主面W1之研磨液的供給量及對第2主面W2之研磨液的供給量的百分比，具有可一面改善晶圓W之奈米形貌，一面可得到所要之厚度之晶圓W的可能性，而進行以下的實驗。
準備與實驗2相同之兩頭研磨裝置1、與厚度約870μm且直徑300mm的晶圓W。然後，根據以下之表2所示的條件，實施與該關聯技術相同之處理內容的兩頭研磨方法，分別研磨各10片的晶圓W，且每隔一秒測量研磨中之加工室4的溫度變化(實驗例3－1~3－3)。 即，在實驗例3－1~3－3，將對第1、第2主面W1、W2之研磨液的供給量固定於2.8 L/min，並調整對各主面W1、主面W2之供給量的百分比。
[表2]
  實驗例3－1 實驗例3－2 實驗例3－3
對第1主面之研磨水的供給量 1.5L/min 1.4L/min 1.3L/min
對第2主面之研磨水的供給量 1.3L/min 1.4L/min 1.5L/min
研磨水的總供給量 2.8L/min 2.8L/min 2.8L/min
磨石之編號 #2000
磨輪之直徑 160mm
磨輪之轉速 4000rpm
環套之轉速 40rpm
在表3，表示加工室4內之溫度之測量結果的平均值。 如表3所示，可確認實驗例3－1~3－3之最大溫差是0.1℃，只要研磨液之供給量是相同，即使變更對第1、第2主面W1、W2之供給量的百分比，亦加工室4內之溫度係幾乎不變。
[表3]
  研磨水的供給量 平均溫度
第1主面 第2主面 合計
實驗例3－1 1.5L/min 1.3L/min 2.8L/min 22.9℃
實驗例3－2 1.4L/min 1.4L/min 2.8L/min 23.0℃
實驗例3－3 1.3L/min 1.5L/min 2.8L/min 23.0℃
在圖7，表示在將第1主面W1之最外周部的位置當作0nm的情況之第1主面W1的中心之奈米形貌的算出結果。 如圖7所示，可確認即使仍然維持對第1、第2主面W1、W2之研磨液的總供給量，亦藉由變更對第1、第2主面W1、W2之供給量的百分比，可調整奈米形貌。尤其，可確認藉由將百分比調整成對凹下側之第1主面W1之研磨液的供給量比對另一方之第2主面W2之研磨液的供給量更多，可使奈米形貌接近0nm。
在圖8，表示晶圓W之中心的厚度與其平均值。 如圖8所示，可確認變更對第1、第2主面W1、W2之供給量的百分比，亦只要對第1、第2主面W1、W2之研磨液的總供給量相同，晶圓W的厚度幾乎不變。
從圖7及圖8所示的結果，可確認在維持對第1、第2主面W1、W2之研磨液的總供給量下，調整對第1主面W1之研磨液的供給量與對第2主面W2之研磨液的供給量之百分比，藉此，一面改善晶圓W之奈米形貌，一面可得到所要之厚度的晶圓W。 [實施形態]
其次，說明本發明之一實施形態的兩頭研磨方法。 首先，準備關聯技術之兩頭研磨裝置1、作為第1被研磨物之第1晶圓Wt、以及作為第2被研磨物之第2晶圓Wp。第1晶圓Wt與第2晶圓Wp係材質、形狀是大致相同，例如，是從一支矽單結晶錠，或從根據相同之製造條件所製造之相異的矽單結晶錠，分別被切割出者。
然後，將第1晶圓Wt固定於環套21後，控制手段5係如圖9所示，進行該第1晶圓Wt的研磨(步驟S1：第1研磨步驟)。在第1研磨步驟所使用之第1晶圓Wt係亦可是預備研磨用的虛擬晶圓，亦可是前一批之製品用晶圓。 在此第1研磨步驟，差動變壓器型位移計3係測量第1晶圓Wt的厚度，並向控制手段5輸出因應於該測量結果的信號。控制手段5係在向第1晶圓Wt之第1、第2主面W1、W2供給既定量的研磨液下，根據來自差動變壓器型位移計3的信號判斷第1晶圓Wt的厚度被研磨至既定厚度時，結束研磨。在此第1研磨步驟之對第1、第2主面W1、W2之研磨液的供給量係亦可相同，亦可相異，但是被設定成在第1研磨步驟之總供給量與在後述之第2研磨步驟的總供給量成為相同。
接著，作業員使用未圖示之奈米形貌測量器，測量第1晶圓Wt之奈米形貌(步驟S2：奈米形貌測量步驟)。 然後，控制手段5係進行在環套21所固定之第2晶圓Wp的研磨(步驟S3：第2研磨步驟)。 在此第2研磨步驟，首先，作業員係根據在奈米形貌測量步驟之測量結果，設定第2晶圓Wp之奈米形貌接近0的研磨條件。具體而言，作業員係根據晶圓W之中心的奈米形貌，以在第2晶圓Wp之中心的奈米形貌接近0的方式，在維持對第1、第2主面W1、W2之研磨液的總供給量下，設定對第1主面W1之研磨液的供給量與對第2主面W2之研磨液的供給量之百分比。 例如，得知愈提高對第1主面W1之供給量的百分比，第1主面W1之凹下量成為愈小的傾向，在第1晶圓Wt之第1主面W1的中心凹下的情況，作業員係提高對第1主面W1之供給量的百分比，而在第1主面W1之中心突出的情況，降低對第1主面W1之供給量的百分比。相反地可說，在第1晶圓Wt之第2主面W2的中心凹下的情況，作業員係提高對第2主面W2之百分比，而在第2主面W2之中心突出的情況，降低對第2主面W2之百分比。即，只要提高對中央凹下的主面之供給量的百分比即可。在此時，研磨液之供給百分比係將百分比比較高之供給量除以比較低之供給量的值成為200%以下較佳，例如，百分比比較高之供給量成為2L/min、比較低之供給量成為1L/min較佳。
接著，控制手段5係根據作業員之設定，除了對第1、第2主面W1、W2之研磨液的供給百分比以外，係根據與預備研磨步驟相同的研磨條件，進行第2晶圓Wp之研磨。 [實施形態之作用效果]
若依據該實施形態，在第2研磨步驟，根據第1晶圓Wt之奈米形貌，在維持對第1、第2主面W1、W2之研磨液的總供給量下，調整對第1、第2主面W1、W2之研磨液的供給百分比。依此方式，調整研磨液之供給百分比，一面改善奈米形貌，一面維持研磨液的總供給量，藉此，可使第2晶圓Wp的厚度成為與第1晶圓Wt大致相同。因此，可得到奈米形貌良好之所要之厚度的第2晶圓Wp。 尤其，因為在維持研磨液的總供給量下，變更供給百分比，所以可使在第1研磨步驟與第2研磨步驟之加工室4內的溫度成為大致相同。因此，使用因環境溫度而發生測量誤差的差動變壓器型位移計3，亦在第1研磨步驟與第2研磨步驟之雙方，可使晶圓W的厚度成為與目標值大致相同。因為差動變壓器型位移計3之測量精度係高，所以可得到更高精度地調整了厚度之第2晶圓Wp。 [變形例]
此外，本發明係不是被限定為僅該實施形態，在不超出本發明之主旨的範圍內可進行各種的改良及設計的變更。
例如，作為被研磨物，亦可是矽以外的晶圓，亦可將陶瓷或石材等晶圓W以外之圓板形者作為對象。
根據作業員之設定進行了第2研磨步驟，但是亦可作成如以下所示。 首先，預先使記憶體記憶供給百分比調整資訊，該供給百分比調整資訊係在將對第1、第2主面W1、W2之研磨液的總供給量維持於既定量的狀態，已調整對第1主面W1之研磨液的供給量與對第2主面W2之研磨液的供給量之百分比的情況，表示奈米形貌如何地變化。例如，預先記憶供給百分比調整資訊，該供給百分比調整資訊係如在實驗3所得之結果所示，愈提高對第1主面W1之供給量的百分比，第1主面W1之凹下量成為愈小。在此時，晶圓W的材質或尺寸或研磨後的目標厚度，亦或，對研磨液的總供給量，進而係晶圓W與第1、第2磨輪23、24之轉向的各關係，預先記憶內容相異的供給百分比調整資訊較佳。供給百分比調整資訊係亦可是根據使用兩頭研磨裝置1之實驗結果所製作者，亦可是藉模擬所製作者。
而且，亦可控制手段5根據第1晶圓Wt之奈米形貌與供給百分比調整資訊，調整如第2晶圓Wp之奈米形貌接近0之供給量的百分比。
1:兩頭研磨裝置
2:研磨手段
3:差動變壓器型位移計(厚度測量手段)
23,24:第1、第2磨輪
23B,24B:磨石
33:接觸件
W:晶圓(被研磨物)
Wt:第1晶圓(第1被研磨物)
Wp:第2晶圓(第2被研磨物)
W1:第1主面(一方之主面)
W2:第2主面(另一方之主面)
[圖1]係本發明之關聯技術及一實施形態之兩頭研磨裝置的模式圖。 [圖2]係該兩頭研磨裝置之局部放大圖。 [圖3]係該兩頭研磨裝置之控制系統的方塊圖。 [圖4]係用以引導本發明之實驗1的結果，並表示對第1、第2主面的各主面之研磨液的供給量與晶圓中心之奈米形貌之關係的圖形。 [圖5]係表示在該實驗1所得之對晶圓之第1、第2主面的各主面之研磨液的供給量與晶圓中心之厚度之關係的圖形。 [圖6]係用以引導本發明之實驗2的結果，並表示差動變壓器型位移計之測量環境溫度與測量值之關係的圖形。 [圖7]係用以引導本發明之實驗3的結果，並表示對第1、第2主面的各主面之研磨液的供給百分比與晶圓中心之奈米形貌之關係的圖形。 [圖8]係該實驗3的結果，並表示對第1、第2主面的各主面之研磨液的供給百分比與晶圓中心之厚度之關係的圖形。 [圖9]係該一實施形態之兩頭研磨方法的流程圖。

Claims (3)

  1. 一種兩頭研磨方法，係使用兩頭研磨裝置，根據厚度測量手段之測量結果，研磨至被研磨物的厚度成為既定厚度，而該兩頭研磨裝置係包括：研磨手段，係使被研磨物轉動且向該被研磨物之兩主面供給研磨液，並使磨輪之磨石分別與該被研磨物之兩主面抵接，藉此，研磨該被研磨物；及厚度測量手段，係測量該被研磨物的厚度，該兩頭研磨方法之特徵為： 包括： 第1研磨步驟，係在向第1被研磨物之兩主面供給既定量的研磨液下，研磨至該第1被研磨物的厚度成為該既定厚度； 奈米形貌測量步驟，係測量該第1被研磨物之奈米形貌；以及 第2研磨步驟，係根據該奈米形貌測量步驟之測量結果，將研磨條件調整成第2被研磨物之奈米形貌接近0，並研磨至該第2被研磨物的厚度成為該既定厚度； 該第2研磨步驟係在維持在該第1研磨步驟之研磨液的總供給量下，調整對該第2被研磨物之一方的主面之研磨液的供給量與對另一方的主面之研磨液的供給量之百分比，並研磨該第2被研磨物。
  2. 如申請專利範圍第1項之兩頭研磨方法，其中作為該厚度測量手段，使用差動變壓器型位移計，該差動變壓器型位移計係具有分別與該被研磨物之兩主面接觸的一對接觸件，藉由輸出與該一對接觸件之位置對應的信號，測量該被研磨物的厚度。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之兩頭研磨方法，其中該第2研磨步驟係根據該第1被研磨物之該奈米形貌測量步驟的測量結果，將該百分比調整成使對在該第2被研磨物之該第1被研磨物的凹下側之主面之研磨液的供給量成為比對另一方的主面之研磨液的供給量更多。
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